白炽灯的基础知识 (一)

白炽灯的基础知识

基础，知识

1.白炽灯的结构

普通白炽灯主要由玻壳、灯丝、导丝、芯柱、灯头等组成，对于不同用途和要求的白炽灯,

其结构和部件也有所差异。

玻壳玻壳用耐热性能好的钠钙玻璃做成，大功率白炽灯用耐热性能更好的硼硅酸盐玻璃，

一些特殊用途的灯泡采用彩色玻璃。玻壳把灯丝和空气隔离，既能透光，又起保护作用。

白炽灯工作的时候，玻壳的温度最高可达100℃左右。为避免眩光，有些玻壳进行过磨砂处

理，以形成光的漫反射。为加强其一方向的发光强度，也有些玻壳上蒸涂了铝反射层。

灯丝是灯泡的发光体，用比头发丝还细得多的鸽丝制成，为提高灯丝的发光效率，一般绕

成单螺旋丝或双螺旋丝。铛丝由芯柱上的铝丝支架支撑，两端与导丝连接，为安全起见，

高电压充气白炽灯外导丝还接有保险丝。

排气管灯泡内的空气通过芯柱内的排气管抽出，或是抽真空后再充进需要的惰性气体。排

气管在抽真空后烧焊密封，灯就不漏气了。

灯头根据外形和用途不同，灯头主要分为螺口和插口两种结构，插口灯头主要用在汽车、

火车等需要抗震的场合。

两条导线由内导线、杜美丝和外导线三部分组成。内导线用来导电和固定灯丝，用

铜丝或镀银铁丝制做。中间一段很短的幻一色金属丝叫杜美丝，要求它同玻璃密切结合而不

漏气。外导线是铜丝，任务就是连接灯头用以通电。

2.灯丝的制作

白炽灯是根据热辐射原理制成的，它依靠电能将灯丝加热到白炽状态而发光，用作

灯丝的材料应当满足如下要求：

a.熔点要高。随着温度的升高，多数物质辐射出来的总能量以及可见光的比例都会增加。

b.材料的蒸发率小，有利于延长灯丝寿命。

C.可见辐射强。在可见区的光谱发射率高。

d.有适合的电阻率。

e.机械强度好，较易加工成型，使用时耐振动和冲击，。

金属铝具有熔点高、蒸发率低，在可见光区有较高的选择辐射、高温下机械强度高、

电阻系数大、容易加工等优点，是迄今为止最适合的灯丝材料。

灯用鸨丝是用粉末冶金方法加工制作的。先将鸨砂（W03）经氢气还原制得金属鸨粉，

压制成鸨条放在氢气炉中直接通电进行烧结（烧结温度在3100C左右）制成鸨的金属棒，

然后用旋锤机锻造，通过金刚石细孔，多次拉拔成细丝，并卷曲成螺纹状鸽丝。

拉制出来的铝丝具有纤维结构，但其温度到1100—1300C,会发生再结晶现象，使纤

维结构遭到破坏。当温度达到1500—1600℃时，则晶粒发生长大，使铝变脆，并引起高温

下垂。由于实际应用中筲丝的工作温度一般高达2400K—2600K以上，为了减缓高温下的再

结晶和克服高温时灯丝下垂，在烧结过程中常加添加剂，如Na20,K2O,SiO2,ThO2、Ga、

Co和Re等，以改变铛丝的再结晶组织，提高高温抗蠕变能力与鸨丝的高温抗下垂能力。

根据铝丝制作工艺可知，鸨丝烧结温度低于熔点，鸨原子扩散不很充分，添加剂的使

用及鸨粉的纯度不可能百分之百的纯净，就势必造成晶间夹杂，存在成分结构不均匀。又

经多次拉拔，产生过量塑变，使铝丝内部存在大量的空位和位错°虽经退火处理，但位错

仍以网状存在于灯丝之中。又鹤系体心立方晶格，电子层分布不对称，使原子结合力具有

方向性，其位错阻力（Peteres应力）较大。又晶体本身脆性较大金属的力学性能，对温度

急变与应变速度极为敏感，故铝丝在点燃前就是一个存在着随机缺陷敏感组织的裂纹体。

3.白炽灯的充气

铐与氧在高温下会生成高价氧化物三氧化鸨，所以抽空灯泡内的空气可减小鸽丝的氧化耗

蚀。但是灯泡内的空气不可能抽到完全真空，仍有空气使鸨氧化而短寿。另外，因为灯泡

内气压很低，铸粒子从铝丝表面逸出的速度也加快，这将导致鹄丝寿命缩短。

灯泡充入惰性气体，可以减弱鸨丝的氧化耗蚀，并且随着所充气压越高，效果越好，从而

可以延长灯的寿命。从1913年美国的朗缪尔制成充氧气的白炽灯后，白炽灯技术的到快速

发展。

现在我们知道，惰性气体的分子量越大，抑制鸨蒸发的效果越好，气体的热导损失也越小。

因此，充氯气比充氧气好，充掠气比氨气更好。不过，由于氯气和掠气比息气更容易产生

放电并且价格较贵，现在的小功宝低压灯泡为简便起见都不充气，大功率低压灯泡充入约

0.IMpa的氢-氮混合气体，高压灯泡则充含氮约15%的氧气，在矿灯等特种灯泡内才充入

氨气或氤气。

惰性气体不但减弱了灯丝的蒸发逸出，而且因为惰性气体的热传导系数很小，还在灯丝周

围形成一个保温层，从而将灯丝温度提高到2700~3000K,辐射出来的见光的比例会有一定

增加。但是，由于气体对流产生的内摩擦会造成部分热损失，充气灯泡会损失一定的功率,

并随着气压增加而增加。从总体上来说，充气灯泡的光效比同温度的真空灯泡要低。

减小泡壳尺寸可以获得更高的机械强度，气压可以充得更高，抑制灯丝蒸发的效果更好。

但是由于玻壳温度上升，普通玻璃承受不了，必须改用硬质玻璃或石英玻璃。同时，玻壳

缩小后沉积的鸨更多，灯泡更容易变黑，这反而使光效降低。

由于工艺技术限制以及快速生产的需要，灯泡内仍然含有微量的氧气、水气等杂质，通常

的办法是在灯泡内使用消气剂来提高真空度，常用的消气剂有红磷和五氧化三磷。

4.白炽灯的外形

白炽灯的灯丝是用金属鸽拉制的，这种材料的熔点很高，一只点亮的白炽灯的灯丝温度高

达3000℃。在高温下一些铝原子会升华成气体向外扩散，这些铝气体遇到温度较低的玻璃

后又凝华在内壁上，呈乌黑色，这就是白炽灯用久发黑的原因。

白炽灯普遍被设计成球型，这可以使铛原子能在一个比较大的表面上沉积，避免灯泡在很

短的时间内就被熏黑,造成光通量的快速下降。

5.实用白炽灯的再改进

直形或U形灯丝的温度并不高，而卷成螺旋状的灯丝温度更高，在充气灯中采用螺旋形灯

丝来缩短灯丝长度，这有利于延长灯丝寿命和减小灯的热导损失。这种单螺旋灯丝的又一

好处在于，能在灯泡内狭小的体积里做成较长的灯丝，以取得更大的电阻。为了进一步提

高灯丝温度，1912年，日本的三浦顺一为使灯丝和气体的接触面尽量减小，将鸨丝从单螺旋

发展成双螺旋，灯丝温度高达2700K,这使白炽灯的发光效率由6—9Lm/W提高到约13Lm/肌

比单螺旋灯丝灯泡提高发光强度10%o1935年，法国的A•克洛德在灯泡内充入氮气、筑气,

进一步提高了发光效率。双螺旋灯丝白炽灯几经改进，虽然发光效率提高到当今的50Lm/W,

但在所有用电的照明灯具中的效型仍是最低的，它所消耗的电能只有约10%的电能转化为光

能，其余部分都以热能的形式散失了。

为适应市场需求，人们不断对白炽灯进行改进，大大拓展了白炽灯的应用范围，开辟了白

炽灯的新时代。1949年，碘铝灯在美国诞生，它比普通白炽灯提高光效30—60%,后来，

人们又制成了各式各样的碘鸨灯。它已成为公共场所照明的重要灯具。

6.白炽灯的分类

6.1普通照明灯泡

为了防I卜灯丝氧化并且减少热对流，这种灯泡玻壳内抽成直空.因而提高了发光效率，并

且具有了耐高温的品质，不怕封闭灯具内的高温，环境温度200℃以内都能正常工作。但是

在长时间高温下工作，金属鸨会逐渐蒸发并均匀地粘附在玻壳内壁，导致灯泡发光量逐渐

衰减，所以这种产品寿命期内光通保持性能欠佳。另外普通照明灯泡的眩光是一个固有的

缺陷，而裸露使用难登大雅，为此又有磨砂玻璃、乳白玻璃和涂白玻璃几种产品，只是透

光性受到影响。

6.2PAR灯泡

为了防止灯丝氧化，这种灯泡选择了充惰性气体的方式，并且玻壳涂白。高温蒸发的钙蒸

气在灯泡玻壳内部热对流的作用下向上运动，最终粘附在灯把部位，因此寿命期内光通保

持较好，适用于照明质量要求较高的豪华装修场所，并且可以裸露安装，不产生眩光。美

中不足的是，PAR灯不宜用于高温场所，100℃环境温度下其寿命将缩短40%。

6.3卤素灯

卤素灯又叫卤鸨灯，分为浪鸨灯和碘铝灯两类，浪鸨灯寿命不如碘鸨灯（澳鸨灯约1000小

时，碘鸨灯可达1500小时），但澳鸨灯的发光效率比碘鸨灯高5乐卤素灯的玻壳是用石英

玻璃制成，所以又叫石英灯。

普通白炽灯中的惰性气体只能减弱灯丝的蒸发，而卤素灯的特殊性就在于鸽丝可以“自我

再生”。在这种灯的玻壳中充有一些卤族元素（如碘和溟），当灯丝发热时，鸨丝在高温

下逐渐蒸发，逸出的鸨原子向温度较低的玻璃管壁方向移动。在它们接近玻璃管时，鸨蒸

汽被“冷却”到大约800c并和卤素原子结合在一起，形成卤化铝（碘化鸨、溟化铝）o卤

化铝有向高温迁移的倾向，所以卤化鸨又向灯泡中央移动，最后落到被腐蚀的灯丝上。因

为卤化铛很不稳定，遇热后就会分解成卤素蒸汽和鸨，这样鹄又在灯丝上沉积下来，弥补

了被蒸发的部分，这个过程叫做“卤鸽循环”。这种灯不但可以消除鸽粒附在灯泡玻璃内

壁上发黑的现象和延长灯丝寿命，而且灯丝可以做的相对较小，灯体也很小巧。卤素灯的

灯丝温度可达3200K,显色性好，发光强度和发光效率得到大大提高。

卤素灯的外形有灯管和灯泡两种，分别适用于不同的灯具。卤素灯发热量较大，不适合环

境温度较高的场合使用，因此使月时需要注意散热，防止高温灼伤附近低熔点物质。

卤素灯按工作电压可以分为线电压和低电压两种，低电压卤素灯的电源电压一般为12伏或

24V,功率在10~200W之间°低电床卤素灯的鸨丝可以做的较粗.额建寿命较长,光色也更

接近日光色。它配置的聚光杯可以使光线集合成一个向前的强光束，却可以透过红外线，

强光照射在需要突出表现的物品上非常醒目，但减少了被照物品受到的热辐射。主要用于

需要光线集中照射的地方，比如月于橱窗、写字台及居室的局部照明。

低压石英灯必须配备降压变压器才能使用，如果用于调光场合，必须注意电子变压器是否

适合，而电感变压器可以直接使用。因在调压变光过程中较低的温度对卤鸨循环不利。

7.白炽灯的发展趋势

对普通白炽灯而言，若输入能量为100%,则辐射在可见光区域的能量为7.1—10%(其中

人眼感受到的为2〜4%),辐射在不可见区域的为72〜86.4%,被导线和支架以热形式传

出的为6.5%,充气灯泡中被气体传出的能量为11.5%。白炽灯和卤色灯等热辐射光源可

能达到的极限能量转换发光效率是14%,而现有的白炽灯距这一限度还很远。

研制节能型灯泡是白炽灯发展的主要趋势，提高白炽灯的光效、延长使用寿命可循两条途

径：

①减小玻壳尺寸，提高灯丝的工作温度。

②减少能量损耗。比如在玻壳上交替涂覆二氧化钛一银一二氧化钛(Ti02-Ag-TiO2